Αλγόριθμοι βελτιστοποίησης για ρομποτικές εφαρμογές

Abstract

Due to rapid technological and scientific development, in recent years, autonomous robots have been used in several application domains, such as mapping, agriculture, and deep-sea exploration. Although the usage of robotics provides a solution to several problems, new problems that need to be solved are coming to the surface. One of the most important problems is the problem of finding a path that covers the entire area of interest in a predefined environment while avoiding obstacles. This problem is also known as Coverage Path Planning (CPP). This thesis focuses on the complex problem of robotic navigation, with a particular emphasis on the challenge of CPP. To provide the reader with a foundational understanding of the evolution and transformative role of robots in various domains of human life, the historical perspectives of robotics and their diverse applications are first described. The primary challenge of navigation and the significance of CPP are then examined, providing a comprehensive context for the discussion that follows. In the first contribution of the thesis, an area partitioning method is presented that effectively addresses the complexities of the CPP in multi-robot cases. By effectively partitioning the area, this methodology ensures a more efficient and effective coverage of the area. In the second contribution of the thesis, a technique for optimizing the sub-regions of the robots is presented to generate more efficient coverage paths. This facilitates smoother navigation on the one hand and achieves significant energy savings on the other hand. The contributions presented in this thesis form a path toward more advanced, efficient, and sustainable robotic navigation solutions, highlighting the crucial role of algorithms in shaping the future of robotic applications.

Εξαιτίας της ραγδαίας τεχνολογικής και επιστημονικής ανάπτυξης, τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται η ολοένα αυξανόμενη χρήση των ρομποτικών συστημάτων σε πολλούς τομείς, όπως η γεωργία, η εξερεύνηση της θάλασσας και η χαρτογράφηση. Παρόλο που η ρομποτική δίνει λύση σε μια σειρά από προβλήματα, νέα προβλήματα που χρήζουν λύση έρχονται στην επιφάνεια. Ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα είναι ο σχεδιασμός μιας διαδρομής που καλύπτει όλα τα σημεία μιας προκαθορισμένης περιοχής και αποφεύγει σημεία με συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, όπως εμπόδια και περιοχές απαγορευμένης πτήσης. Το πρόβλημα αυτό είναι γνωστό και ως Σχεδιασμός Διαδρομής Κάλυψης (ΣΔΚ). Η παρούσα διατριβή εστιάζει στο πολυδιάστατο πρόβλημα της ρομποτικής πλοήγησης, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην πρόκληση του ΣΔΚ. Αρχικά, περιγράφονται οι ιστορικές προοπτικές της ρομποτικής και των ποικίλων εφαρμογών της, θέτοντας στον αναγνώστη τις βάσεις της εξέλιξης και του μετασχηματιστικού ρόλου των ρομπότ σε διάφορους τομείς της ζωής του ανθρώπου. Στη συνέχεια, αναλύεται η καίρια πρόκληση της πλοήγησης και η σημασία του ΣΔΚ, παρέχοντας ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για τη συζήτηση που ακολουθεί. Στην πρώτη συνεισφορά της διατριβής, παρουσιάζεται μια μέθοδος διαμοιρασμού της περιοχής που αντιμετωπίζει αποτελεσματικά τις πολυπλοκότητες του ΣΔΚ σε περιπτώσεις πολλαπλών ρομπότ. Με τον αποτελεσματικό διαμοιρασμό της περιοχής, αυτή η προσέγγιση εξασφαλίζει την αποτελεσματικότερη και την πιο αποδοτική κάλυψη της περιοχής. Στη δεύτερη συνεισφορά της διατριβής, παρουσιάζεται μια τεχνική για τη βελτίωση των υποπεριοχών των ρομπότ, με σκοπό τη δημιουργία πιο αποδοτικών διαδρομών κάλυψης. Έτσι, αφενός διευκολύνεται η ομαλότερη πλοήγηση και αφετέρου επιτυγχάνεται σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Οι συνεισφορές που παρουσιάζονται στην παρούσα διατριβή διαμορφώνουν μια πορεία προς πιο προηγμένες, αποδοτικές και βιώσιμες λύσεις ρομποτικής πλοήγησης, αναδεικνύοντας τον καθοριστικό ρόλο των αλγορίθμων στη διαμόρφωση του μέλλοντος των ρομποτικών εφαρμογών.